几种涂布纸板的主要生产工艺及欧美的有关技术_谈永年

1、几种涂布纸板的主要生产工艺及欧美的有关技术谈永年(中国制浆造纸工业研究所,北京,100020摘要概述了CRB、CUK和涂布S BS纸板的生产工艺、质量要求及其影响因素,同时列举了欧美这3种涂布纸板的有关技术。关键词再生浆未漂硫酸盐浆漂白硫酸盐浆多长网多次涂布涂布纸板的主要产地北美和西欧,近年来发表的年报和年会资料中常使用C RB、C UK 和涂布SBS等名词,如1996年公布的北美涂布纸板产量1060万t中,涂布SBS占54%, C RB占27%,CUK占18%,铸涂纸板为1%; 1996年公布的西欧涂布纸板产量580万t中, CRB占36%,涂布SB S占7%,CUK占3%,铸涂纸板为2%,

2、而CRB和涂布SBS用于折叠卡纸的又共占34%,CUK和涂布SB S用于液体包装纸的共占18%。上述名词中CRB(Coating Recycled Paperboard即涂布再生浆纸板,在西欧它还包括涂布挂面再生浆纸板(Coating White Lined Chipboard;CUK(Coating Un-bleached Kraft Board即涂布未漂硫酸盐浆纸板;涂布SB S(Coated Solid Bleached Sulfate B oard表示涂布全漂白硫酸盐浆纸板。实际上北美的CUK和涂布SBS有时为改善抄造性能和降低成本常掺用部分再生浆。北美和西欧地区国家按纸板的浆料组成对

3、涂布纸板进行这样的等级分类是很有意义的。首先它包容了绝大多数的涂布纸板品种,更主要的是同时将迄今流行的,成熟有效的涂布纸板生产工艺、技术装备进行了相应的归类。正因为如此,上述这些名词现正渐渐被业内人士熟识和认同。文中概述了CRB、CUK和涂布SBS的主要生产工艺,同时比较了北美和西欧有关的技术特点。1CRB再生浆纸板主要由短纤维、游离填料、含污点的纤维和低亮度衬浆组成。面层浆配比、成形和表面处理是生产的关键。此外涂料组成、涂布方式和辅助设施对CRB产品的质量也有重要影响。多次涂布和背涂的运用能进一步提高产品质量,为CRB产品开拓新的市场。1.1表面处理CRB原纸板宏观平滑度差,纸机湿部成形的缺

4、陷,涂布难以完全遮盖,涂料不可能光填充宏观呈现的孔隙,因此原纸板必须进行表面处理以提高涂布效能。适度施胶或在纸板表面进行成膜加工是有利的。施胶后,短纤维、污染物及面衬和底衬浆层中的松散填料能被牢牢固着,防止涂布时掉粉掉毛。表面施胶也能阻止涂布时水和胶粘剂向纸页的迁移,减少胶粘剂用量。但过量的施胶会削弱涂层与纸页的结合,会因胶粘剂不能适量渗入纸页皆富集在涂布纸面而降低油墨吸收。内施胶可与上述纸机干部的施胶联用以改善涂料的保留性。淀粉、羧甲基纤维素(CMC和聚乙烯醇(PVA是常用的表面施胶剂。再生浆纸板常用的表面施胶设备是带水槽的多辊压光机。水槽的位置,水槽中施胶液的种类,温度和粘度均能影响施胶效

5、果。水槽设置越高施胶整饰度亦高,表面更平滑;水槽设置较低,施胶表面孔隙较大,涂布时需提高涂布量。选用高位水槽的压光机施胶能改进微观平滑度,但不利于纸页紧度的降低。收稿日期:1998-05-25施胶后涂布前的纸页水分和温度是重要控制参数。水分含量过高易产生条纹和亮斑;水分含量过低纸板外观黯淡少亮泽,涂布时水分和胶粘剂会过多渗入纸页使涂布表面的胶粘剂用量不足,降低表面强度。原纸板的温度对涂料和纸板表面的相互作用有影响,为防止胶粘剂迁移,涂布时纸板的温度不应超过60。1.2涂布方式CRB不论采用一次涂布或两次涂布均应考虑产品印刷和后加工性能的要求。一次涂布时常用的是气刀涂布机。气刀涂布是仿形涂布,涂

6、布量均匀,覆盖性好,能较有效地遮盖低亮度衬浆、残余墨迹和污斑。单面两次涂布较流行的是采用先刮棒后气刀的组合涂布方式。两次涂布可获得表面平滑度更好的适于轮转凹印的较优产品。两次涂布有时也采用两次刮棒涂布甚至再用刮刀进行面涂的组合涂布方式。1.3涂料组成涂料组成对CRB的外观和印刷性能有重要影响。涂布颜料的选用因涂布方式而异。一次涂布应选用覆盖均匀、不透明性好的细粒级颜料,使涂布表面的油墨吸收,光泽度,整饰性和印刷适性一步到位。两次涂布是由刮棒涂底获得平整的底涂层,选用的颜料可以是No.2瓷土和煅烧土使底涂层有较开放的结构。气刀用于面层涂布,高折射率的TiO2常用作面涂颜料。涂布纸板选用的胶粘剂应

7、有足够的胶粘强度和柔韧性。CRB常用的胶粘剂是丁苯胶乳(SBR,丙烯酸乙烯酯胶乳,聚醋酸乙烯酯胶乳(PVAC和酪素胶。涂料组成中的助剂各有特殊功能,它们的主要作用是保证涂布作业的运转适性。CRB生产时由于组成浆料亮度低,涂料配方中常添加微量色料调节产品色相。1.4辅助设施再生浆板由抄造、表面处理至涂布作业污染源较多。衬浆中不能筛除的污染物最后会带入涂料系统并随刮棒、气刀刮下的涂料回流到涂料贮存槽,涂布头因高温、干结的涂料作为新污染物也会进入涂料系统,累计污染严重,要求涂料筛选系统有很高过滤效率,各道筛选应有定期排渣自动清洗的能力。多次涂布和背涂在CRB生产中的运用是今后的方向。有效地选用不同功

8、能的底涂料和面涂料配方,适量提高涂布量能更好地遮盖原纸板亮度低等缺陷,可放宽对面衬浆的亮度要求。背涂可封闭纸板背面的污斑,阻止它们转移至面层,同时使背层的短纤维更好地固着。北美和西欧CRB的生产工艺技术见表1、表2。表1北美西欧C RB的浆料组成和抄造技术北美西欧涂布量19.5g/m227.8g/m2面层浆73.2g/m2马尼拉卡纸,账册废纸,脱墨浆34.7g/m2白色不含机械浆废纸首衬浆39.5g/m2白色含机械浆废纸芯衬浆219.7g/m280%新闻纸,20%瓦楞纸和Kraft纸边149.9g/m211.5%新闻纸,88.5%末分选废纸底层浆48.8g/m2100%新闻纸或Kraft纸边3

9、9.5g/m2100%新闻纸表面施胶5.8g/m2总定量C RB定量范围361.2g/m2336664g/m2296.6g/m2251503g/m2生产主要设备1.多圆网成形,较少用长网成形2.带水槽多辊压光机施胶3.刮棒/气刀,刮棒/刮棒4.钢辊硬整饰,少用光泽压光1.10万t/a工厂,多长网带上网成形,也有多圆网成形2.施胶压榨表面处理3.刮棒,气刀,刮刀,两次以上涂布,刮刀背涂4.扬克缸整饰表2北美西欧C RB的涂料主要组成北美西欧原纸板亮度55%75%65%78%涂布量底/面(810/(1416g/m2(78/(1214/(810g/m2底涂颜料胶粘剂80100份No.2瓷土020份C

10、aCO31620份S BR16份CM C/酪素胶80100份CaCO3020份煅烧土1214份SBR13份CM C二次涂颜料胶粘剂60份No.2瓷土30份CaCO310份TiO21315份SBR13份CM C面涂颜料胶粘剂6080份No.1瓷土1030份TiO21030份煅烧土/结构瓷土810SBR810PVAC36份酪素胶12份CM C70100份超细CaCO3030份No.1瓷土1214份S BR/SAR苯丙胶13份CM C2CUK纸板比纸厚,所以涂料对纸板横截面的界面作用要小得多,最后涂层所能呈现的整饰效果比涂布纸也小得多。因此纸板的成形和表面性能对涂布产品质量的影响更大。CUK原纸板宏

11、观和微观表面都很粗糙,通过增加阔叶木浆用量,掺用少量再生浆可部分改善表面粗糙度,选择多层成形器、选用多舱式流浆箱的湿部成形是保证原纸板质量的关键。一般而言,芯层或底层可含强度高的针叶木浆,面层则用高组分的阔叶木浆。上述浆料组成的原纸板撕裂度、抗张强度好,厚度适宜,挺度好,可压缩性好,孔隙度和表面处理后的平滑度均适于印刷作业。2.1表面处理C UK原纸板亮度低,经表面处理可提高涂布效果。表面处理通常在湿部或施胶压榨或湿压光时实施。湿部处理包括在面层浆中加瓷土填料以改善原纸的亮度和色相;还包括控制面层浆的内施胶量以利于施胶压榨或湿压光时施胶剂的留着和涂布时涂料的保持。施胶即是施胶剂的表面成膜加工,

12、利于控制涂料留着,减少表面沾污。表面处理时选用颜料化的施胶液能进一步改善表面亮度,减少表面斑纹的显露,起预涂布作用。2.2涂布方式表面处理后的C UK原纸板与漂白浆的原纸板相比,在亮度和粗糙度方面仍有明显不足,可以考虑采用多次涂布方式使最后产品的光学性能和印刷质量达到较高水平。多次涂布皆涂于原纸板的一面,有时虽用湿对湿的涂布方式但通常每层涂布后都需干燥。现以单面两次涂布举例说明。底涂目的是打底,填充表面孔隙及低凹区以形成平整的、色调均匀的底涂面。要求底涂料必须是高固含量,有较高的粘度,很快能形成不流动涂层,既能填平孔隙又能固着定位而不沉陷,达到宏观平整的目的。CUK原纸板亮度低、表面粗糙,而刮

13、棒涂底首先考虑的是涂平,所以实际上涂层厚度是不均一的,低凹处涂料多,凸起处涂料少,底涂后仍会显露深浅不同斑纹。当底涂料与原纸板亮度色泽反差大时,上述斑纹更显而易见。因此底涂料应选用低亮度颜料,并控制色调和谐。面涂料的选择应首先考虑与底涂层的牢固结合,必须有高的亮度和不透明度以进一步改善涂面的平滑度。面涂方式因产品用途而异,刮刀、刮棒和气刀都可选用。采用三次涂布方式时第二次涂层可参照上述面涂料组成,第三次涂布的涂料应侧重亮度和光泽度的改进。C UK生产中常采用的有3种涂布方式。第1种是刮刀涂布机,辊式上料或短驻留上料系统结合硬刮刀或弯刮刀计量元件;第2种是刮棒涂布装置,选用平滑的光棒或呈凹纹的钢

14、丝刮棒为计量元件;第3种是气刀涂布机,藉高速线性气流吹刮出仿形涂层。刮刀和刮棒常用于底涂。刮刀涂底平整性好,但底层深浅斑纹也最明显,涂面易出现条痕和刮伤,硬刮刀更甚。刮棒涂布,条痕少斑痕也较不明显,但涂层平整性较刮刀逊色。气刀涂布的优点如前述厚度均一、覆盖好,印刷效果好,缺点是涂料固含量较低,涂布速度受制约,一般低于450m/min。多次涂布时面涂采用气刀和刮棒的仍占多数。2.3涂料组成底涂料的颜料常由12种颜料组成。面涂料的颜料组成较复杂,一般都使用TiO2和类似的高白度颜料,如高白度瓷土、煅烧土或合成颜料。CUK常用的胶粘剂是粘结力强的合成胶乳或胶乳和酪素胶、CMC的复合体系。C UK选用

15、的助剂和其它涂布产品的涂料助剂相似。2.4辅助设施涂布机的干燥系统一般不用于原纸板的干燥。IR(红外干燥常用于涂层初始阶段的预热,以高的热流通量使涂层很快达到高温,去除大量水分主要由热风干燥器完成。热风干燥或单独使用或与烘缸并用,其优点是与纸页不接触避免表面沾污。C UK的表面整饰采用光泽压光或刷光的方法。光泽压光是两辊单压区,与涂面接触的是高度抛光的热辊,与背面接触的是表面由塑胶包覆的,作业时能产生适度形变的辊子。线压负荷为80700kN/m,热辊温度范围是93 315,塑胶包覆辊表面硬度为530P&J。光泽压光对纸板的松厚度和涂层不透明度保持好,能提高产品平滑度和光泽度。原纸板成形

16、差时光泽压光会产生亮斑,严重时会导致印刷时漏印。光泽压光时压光机线速度及纸板厚度是压区滞留时间的函数。纸板厚度偏高时压区滞留时间增加,压光机线速度降低时压区滞留时间也增加,对热整饰效果有利。光泽压光的表面整饰度也受涂布纸板水分的影响,但这种影响不如超级压光机的明显,刷光整饰更有利松厚度和不透明度的保持。在一定程度上刷光可补偿涂面的不规则性。它的缺点是刷子使用期短,成本高,并有在表面沉积碎屑,产生瑕疵的风险。刷光整饰要求涂布表面强度高,此外采用刷光整饰的面层涂料中需追加润滑剂。北美和西欧C UK的生产工艺技术见表3及表4。3涂布SBS涂布SBS主要选用洁净的漂白硫酸盐浆,一般阔叶木浆用量多于针叶

17、木浆,因为前者有更好的成形特性和可压缩性。SBS配浆时阔叶木浆为60%90%。为改善抄造性能和降低成本,某些涂布SBS工厂的浆料组成含部分再生浆,最高掺用量达30%。北美SBS生产主要用单长网机;与之相反,西欧国家较多用多长网成形,相同之处是他们都考虑选用了上网以改善湿纸页成形,同时增加脱水速率。3.1表面施胶SBS的表面施胶旨在提高表面强度以适应日趋高速的胶版印刷,另外的作用是改善挺度减少掉毛。常用的表面施胶剂是淀粉溶液及PVA、CMC等。胶乳和碳氟化合物有时也用作表面施胶,以满足某种特殊性能如抗油脂性的要求。施胶液中有时还常掺用适量颜料,目的是充填表面孔隙、改进平滑度提高干燥效率,起到类似

18、预涂的作用。带水槽的施胶压榨是美国较常用的施胶方法,已使用了多年。但这种常规的湿压或湿整饰被广泛采用时发现诸多因素影响其生产效率的提高。如表面存在空洞和碎屑时,易导致湿断裂;热能效率较低、干燥负荷较高以及易发生沾辊和湿压后表面掉毛。目前,在美国计量施胶压榨的使用越来越普遍。它节省热能,此外当水分含量高的SBS通过计量施胶压榨时,出现湿斑的可能性小。西表3北美西欧CUK的浆料组成和抄造技术涂布量36.6g/m2(三次涂布面层浆7.8g/m2,100%Kraft阔叶木浆底层浆300g/m270%80%本色Kraft,20%30%木片机械浆总定量415g/m2包括填料和施胶剂C UK定量范围263.

19、6530.6g/m2生产主要设备多舱式流浆箱,双长网纸机,机内或机外刮棒或刮刀底涂,刮刀刮棒或气刀面涂表4北美西欧CUK 的涂料主要组成北美西欧原纸板亮度18%40%20%40%涂布方式刮棒/刮刀/气刀刮棒/气刀/刮刀涂布量*/g ·m -28/812/10158/1216/810底涂颜料100份No .2瓷土100份CaCO 3胶粘剂610份SBR ,610份PVAC ,46份酪素胶1618份SBR 或苯丙胶乳12份CM C二次涂颜料60份瓷土,2040份TiO 202份煅烧土6070份No .2瓷土和剥片土,025份TiO 2,2030份CaCO 3,025份煅烧土胶粘剂810份

20、SBR ,810份PVAC ,46份酪素胶1718份SBR 或苯丙胶乳12份CM C面涂颜料80100份No .1瓷土,020份TiO 26080份No .1瓷土,2030份超细CaCO 302份煅烧土,TiO 2胶粘剂1518份SBR ,46份PVAC ,36份酪素胶1618份SBR /苯丙胶乳13份CM C*是指底涂,每面二次。欧广泛采用软压和硬压结合的压光施胶方法,克服了湿压带来的运转适性差的缺点。3.2涂布方式50年代后期刮刀涂布机开始用于涂布SBS 生产。刮刀/刮刀的组合涂布方式使用日益广泛。刮刀涂布促进了当代涂布技术的不断改进和完善,促使人们对涂布工艺有了较深刻的认识,包括:更加突

21、出了涂布基材的重要性;强化了对高固含量涂料的认识,对涂料流变特性和对涂料保水性及亲水胶体的认识;促进了涂料筛选系统的完善和高效自动清洗筛选技术的进步;推动了废涂料回收再用技术和工艺的开发研制。刮刀涂布不能容忍成形和表面性能差的涂布基材,刮刀涂布作业中条痕和刮斑至今仍是较难解决的问题。尽管如此,在生产高质量的涂布SBS 产品中,刮刀涂布仍发挥着十分重要的作用。涂布SBS 产品于60年代初增长速率最快,每年超过10%,至1996年北美、西欧的年增长率保持在2.0%2.5%。如此高的增长可归功于涂布SBS 产品质量的不断提高及刮刀涂布技术的不断完善和其本身的优势。3.3涂料组成设计涂布SBS 底涂料

22、组成时,选用的颜料应赋予涂层一定的微观粗糙度,颜料粒径及瓷土和CaCO 3的比例是重要参数,平均粒径1.42.0m 的粗CaCO 3和No .2瓷土是底涂颜料的适宜选择;颜料的亮度应与原纸板的相适应;颜料与胶粘剂结合一起时能形成不至密较开放的结构;使底涂层有适宜的孔隙;胶粘剂的胶粘强度、胶乳粒径及稳定性是选择的重要依据;亲水胶体能赋予涂料良好的流变性和保水性,保证刮刀涂布的运转适性。推荐的底涂料配方是:2040份粗CaCO 3,6080份No .2瓷土,1416份PVAC 或SBR 。涂布量810g /m 2。底涂料配方的改进趋势是增加CaCO 3用量。高含量CaCO 3配方可提高涂料固含量,

23、减少胶粘剂用量,赋予涂料更好的流变性,改善涂布机运转适性,改善涂面微观孔隙度和降低涂料成本。设计面涂料组成时:不需选用高折射率的TiO 2颜料,因原纸板亮度高。面涂的主体颜料可以是No .1瓷土,如需获得更高涂面亮度,可在面涂料中选用超细CaCO 3,用量以光泽度不明显降低为限。也可选用实芯或空芯型的聚苯乙烯合成颜料进一步提高涂布SBS 表面的光泽度,亮度,油墨凡宁水保持和平滑度。面涂料首选的胶粘剂通常是PVAC ,它有良好的光热稳定性和孔隙性,常与合成颜料并用增加涂面光泽和油墨凡宁水保持。酪素胶有时也和合成颜料并用,可防止合成颜料在高温热风干燥或光泽压光时不粘连。SBR 也是较常用的面涂料胶

24、粘剂,常与酪素胶或PVAC 共用以获得光泽,凡宁水保持和表面强度均佳的综合效果 。 苯丙胶乳是很有特性的胶 粘剂 , 其光热稳定性好 , 胶粘强度高有良好的 抗油渗性 。 苯丙胶乳价格较 PVAC 和 SBR 贵 , 但近年来的用量在持续增长 。 推荐的并在许多 工厂实际使用的涂布 SBS 面 涂料配方是 :85 90 份 No. 1 瓷土 , 5 10 份超细 CaCO 3 , 5 份合成颜料 , 17 19 份 PVAC 和 1 3 份酪素 胶 。 涂布量 8 10g/ m 。 3. 4 压光整饰 2 涂布 SBS 的 压光整饰主要是 为了提高平 滑度增加光泽度 。 近 35 年来涂布 S

25、BS 产品已 由常规的高密度级产品转为低密度级产品 。 这 一转变与压光技术的改进相关连 , 由原来采用 的多压区硬压光变为采用软压区的光泽压光 , 保持了产品良好的松厚度 。 涂布 SBS 光泽压 光的生产工艺与前述 CUK 的相类似 。 北美和西欧涂 布 SBS 的 生产工 艺见表 5 及表 6 。 表 5 北美 , 西欧涂布 SBS 的浆料组成和抄造技术 北 美 涂布量 表面施胶 19. 5g/ m 2 ( 两次 7. 3g/ m 2 西 欧 20. 0g/ m 2 ( 两次 7. 8g/ m 2 漂白针叶木 30 % 65. 4g/ m 2 面层浆 漂白阔叶木 70 % 原纸浆层 6份

26、 234. 8g/ m 2 ( 一层 漂白针叶木 30% 80 % 漂白阔叶木 20% 70 % 邮政废纸 10 % 。 总定量 涂布 SBS 定量范围 261. 7g/ m 2 填料 6 % 125. 5g/ m 2 芯衬浆 42. 5g/ m 2 底层浆 漂白针叶木 60 % 漂白阔叶木 40 % 漂白针叶木 30 % 漂白阔叶木 70 % 261. 2g/ m 2 170 382g/ m 2 1.三长网成 形 ( 为主 , 单长 网 ( 少 均有 上 网 2.施胶压榨 3.正面两次刮刀涂布 , 背面有时刮刀涂布 4.软辊光泽压光 205 405g/ m 2 1.单长网机 ( 带上网 主要

27、生产设备 2.施胶压榨 3.机内弯刮刀底涂 , 弯刮刀面涂 4.单压区软辊光泽压光 表 6 北美 、 西欧涂布 SBS 涂料的主要组成 北 美 原纸板亮度 涂布设备 涂布量 底/ 面 颜料 底涂 胶粘剂 70 % 80 % 弯刮刀 / 弯刮刀 10/ 10 ( g/ m 2 70 份 N o. 2 瓷土 , 30 份粗 CaCO 3 15 18 份 S BR , 3 份酪素胶 70 100 份 No. 1 瓷土 颜料 面涂 胶粘剂 20 30 份超细 CaCO 3 0 10 合成颜料 17 20 份 PVA C , 2 4 份酪素胶 西 欧 75 % 80 % 刮刀/ 刮刀/ 刮刀 ( 背涂

28、10 12/ 10 ( g/ m 2 100 份细 CaCO3 13 15 份 SBR 或苯丙胶乳 , 1 2 份 C M C 60 70 份 No. 1 瓷土 20 30 份超细 CaCO3 0 10 合成颜料 14 16 份苯丙胶乳 , 1 2 份 C M C · 54 · 中国造纸 第 2 期 4 结 语 C RB , CUK 和涂布 SBS 由于纸 板浆料组 成不同 , 因此它们的生产工艺也不尽相同 。 涂 布 SBS 表面性能好亮度高 , 在折叠卡纸 的市 场已保持了多年 的优势 。 但是 , 近年来 CRB 通过原纸板的表面处理 , CUK 通过提高阔叶 木浆的

29、用量 , 工艺上优化了涂料配方 , 采用了 预涂和多次涂布及 整饰技术 , 使 它们和涂 布 SBS 在印刷质 量和后加 工性能的 差距逐步 缩 小 。 印刷技术的发 展和价格因素 的影响将 使 C RB 、 CUK 成为涂布 SBS 的强劲竞争对手 。 不同浆料组成的涂布纸板 , 在配浆 、 抄造工 艺和涂布技术方面 , 北美和西欧各有异同 。 北 美生产涂布 SBS 和 CUK 不用机械浆而掺用少 量再生浆 , 生产 CRB 时则用 100 %再生浆 ; 西 欧生产涂布 SBS 时全部用漂白浆 , 生产 CRB 有 时用漂白浆挂面 。 西欧的纸板抄造偏向用多长 网成形 , 北美仍以单长网为

30、主 。 涂料组成方面 , 西欧的用 CaCO 3 用量明显偏高 , 胶粘剂用量减 少 , 并且不用酪素胶因而降低了涂料成本 。 但 最新资料表明在涂料配方的选用上 , 北美开始 趋向欧化 。 此外 , 欧美的涂布 SBS 生产工艺及 产品都完成了升级换代 。 所以总体上讲 , 欧美 在涂布纸板生产技术方面的差异已逐渐缩小 。 参考文献 1 Panla Foley .Coating Recycled Paperboard .TA PPI , Coated Paperboard , 1996 , 7 -2 2 Gordon Bugg .C oating Unbleached K raft Boar

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